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第1章 自动控制的基本概念1

1.1 引言1

1.2 开环控制系统与闭环控制系统2

1.2.1 开环控制系统2

1.2.2 闭环控制系统3

1.2.3 闭环控制系统的组成4

1.3 自动控制系统的分类5

1.3.1 按输入信号形式分类5

1.3.2 按系统中信号传递的性质分类5

1.3.3 按系统的输入／输出特性分类6

1.4 控制系统举例6

1.4.1 蒸汽机转速控制系统6

1.4.2 温度控制系统7

1.4.3 位置随动系统8

1.4.4 电冰箱制冷系统9

1.5 对自动控制系统的基本要求9

小结10

习题10

第2章 控制系统的数学模型13

2.1 引言13

2.1.1 系统数学模型的定义及特点13

2.1.2 系统数学模型的类型和建模方法13

2.2 建立系统的时域数学模型14

2.2.1 电路系统举例14

2.2.2 机械力学系统举例15

2.2.3 机电系统举例17

2.2.4 流体系统的建模18

2.2.5 复杂系统举例18

2.2.6 微分方程建立步骤20

2.3 非线性系统的线性化20

2.3.1 小偏差线性化概念21

2.3.2 线性化方法21

2.4 微分方程求解23

2.5 建立系统的复域数学模型24

2.5.1 传递函数的定义24

2.5.2 传递函数的性质26

2.5.3 零点、极点和传递系数26

2.6 系统的典型环节及传递函数27

2.6.1 比例环节28

2.6.2 惯性环节28

2.6.3 积分环节29

2.6.4 微分环节30

2.6.5 振荡环节30

2.6.6 延时环节30

2.7 系统方块图31

2.7.1 方块图的定义31

2.7.2 方块图的组成和绘制32

2.7.3 方块图等效变换和简化35

2.7.4 方块图化简举例38

2.8 系统信号流图40

2.8.1 信号流图的基本概念40

2.8.2 信号流图的画法及简化规则41

2.8.3 梅逊增益公式43

2.9 利用MATLAB求解系统的传递函数45

2.9.1 num和den函数45

2.9.2 典型化简函数46

小结48

习题48

第3章 线性系统的时域分析法52

3.1 引言52

3.1.1 典型输入信号52

3.1.2 典型时间响应54

3.1.3 控制系统的性能指标54

3.2 一阶系统的时域分析56

3.2.1 一阶系统的数学模型56

3.2.2 一阶系统的单位阶跃响应56

3.2.3 一阶系统的单位斜坡响应57

3.2.4 一阶系统的单位脉冲响应58

3.2.5 一阶系统的单位加速度响应59

3.2.6 线性定常系统的重要特性59

3.3 二阶系统的时域分析61

3.3.1 二阶系统的数学模型61

3.3.2 二阶系统的单位阶跃响应62

3.3.3 欠阻尼二阶系统的动态性能指标64

3.3.4 二阶系统动态性能的改善68

3.4 高阶系统的时域分析72

3.5 线性系统的稳定性分析74

3.5.1 线性系统稳定性的概念和稳定的充分必要条件74

3.5.2 代数稳定判据75

3.6 线性系统的稳态误差分析79

3.6.1 误差与稳态误差的定义79

3.6.2 稳态误差的分析与计算80

3.6.3 减小稳态误差的方法85

3.7 用MATLAB进行系统时域分析86

3.7.1 用MATLAB求系统的输出响应86

3.7.2 用MATLAB求系统的动态性能指标88

3.7.3 用MATLAB研究系统的稳定性89

3.7.4 用MATLAB求静态误差系数及系统的稳态误差89

小结90

习题91

第4章 根轨迹法95

4.1 根轨迹的基本概念95

4.2 根轨迹的幅值条件和幅角条件98

4.3 绘制根轨迹的基本法则99

4.4 零度根轨迹104

4.5 根轨迹绘制举例105

4.6 参数根轨迹107

4.7 控制系统的根轨迹法分析108

4.7.1 开环零、极点对根轨迹的影响108

4.7.2 由根轨迹分析控制系统110

4.8 利用MATLAB绘制根轨迹及分析系统111

小结116

习题117

第5章 线性系统的频域分析法120

5.1 引言120

5.2 频率特性120

5.2.1 频率特性的基本概念120

5.2.2 频率特性的图形表示法122

5.3 对数频率特性图（伯德图）122

5.3.1 对数频率特性图及其特点122

5.3.2 典型环节的对数频率特性图123

5.3.3 系统开环对数频率特性的绘制127

5.3.4 最小相位系统和非最小相位系统131

5.3.5 确定传递函数的频域实验方法132

5.4 极坐标图（奈奎斯特图）138

5.4.1 典型环节的极坐标图138

5.4.2 系统开环极坐标图的绘制141

5.5 奈奎斯特稳定判据144

5.5.1 幅角原理145

5.5.2 奈奎斯特稳定判据146

5.6 控制系统的相对稳定性153

5.7 闭环系统频域性能指标157

5.7.1 系统闭环频率特性157

5.7.2 频域性能指标与时域指标的关系157

5.8 用MATLAB进行系统频域分析160

5.8.1 用MATLAB绘制伯德图160

5.8.2 用MATLAB绘制极坐标图162

5.8.3 用MATLAB求系统的稳定裕度164

小结165

习题166

第6章 线性系统的设计方法170

6.1 引言170

6.1.1 性能指标170

6.1.2 校正方式171

6.2 校正装置172

6.2.1 超前校正网络及其特性172

6.2.2 滞后校正网络及其特性174

6.2.3 滞后-超前校正网络及其特性175

6.3 串联校正176

6.3.1 基于频率响应法的串联校正177

6.3.2 基于根轨迹法的串联校正183

6.4 反馈校正190

6.4.1 比例负反馈190

6.4.2 微分负反馈191

6.4.3 负反馈191

6.5 复合校正194

6.5.1 按扰动补偿的复合控制系统194

6.5.2 按输入补偿的复合控制系统195

6.6 PID控制器197

6.6.1 比例微分（PD）控制197

6.6.2 比例积分（PI）控制198

6.6.3 比例积分微分（PID）控制198

小结201

习题202

第7章 线性离散系统的分析207

7.1 离散系统基本概念及其应用207

7.1.1 采样控制系统207

7.1.2 采样系统的典型结构208

7.1.3 数字控制系统209

7.1.4 数字控制系统的典型结构210

7.2 采样器和保持器211

7.2.1 采样器211

7.2.2 采样定理212

7.2.3 保持器213

7.3 z变换214

7.3.1 z变换定义214

7.3.2 求z变换的方法215

7.3.3 z变换的基本性质217

7.3.4 z反变换219

7.4 脉冲传递函数220

7.4.1 脉冲传递函数的定义及求法220

7.4.2 开环采样系统的脉冲传递函数221

7.4.3 闭环采样系统的脉冲传递函数223

7.5 离散系统的稳定性分析228

7.5.1 时域中的离散系统稳定的充分必要条件228

7.5.2 s平面与z平面的映射关系229

7.5.3 z域中离散系统稳定的充分必要条件229

7.5.4 离散系统的劳斯稳定判据230

7.5.5 采样周期与开环增益对采样系统稳定性的影响232

7.6 离散系统的稳态误差233

7.7 离散系统的动态性能分析236

7.8 MATLAB在离散控制系统中的应用239

7.8.1 连续系统的离散化239

7.8.2 求离散系统的响应240

7.8.3 采样系统的稳定性分析240

小结241

习题242

第8章 非线性系统分析245

8.1 非线性系统的一般概念245

8.1.1 非线性系统的特点245

8.1.2 典型非线性及对系统性能的影响248

8.2 描述函数法251

8.2.1 非线性特性的描述函数251

8.2.2 非线性控制系统的描述函数分析255

8.2.3 用MATLAB的Simulink仿真分析非线性控制系统258

8.3 相平面法259

8.3.1 相轨迹特征及性质259

8.3.2 相轨迹的绘制265

8.3.3 利用MATLAB绘制相轨迹图267

8.4 非线性系统的相平面分析268

8.4.1 用相平面法分析非线性系统268

8.4.2 用非线性特性改善系统性能271

小结273

习题274

参考文献276